Nye fotoresponsive hydrogeler udviklet med øje for biomedicinske applikationer

3-D printet, transplanterbare organer kan lyde som science fiction, men, takket være fremskridt inden for polymerkemi, de kunne blive til virkelighed. Stimuli-responsive hydrogeler repræsenterer en bred klasse af bløde materialer, der ændrer deres mekaniske egenskaber, når visse eksterne triggere påføres. Sidste års forskere fra Jonathan Barnes laboratorium, adjunkt i kemi, skabt en ny slags kunstig molekylær muskel fra en polymer, der ændrer farve og trækker sig sammen, når den udsættes for blåt lys. Lignende materialer lover en bred vifte af applikationer, især inden for medicin.

Barnes begyndte at arbejde på hydrogeler, fordi han ville udvikle et materiale, der kunne ændre form, størrelse, og mekaniske egenskaber, når de aktiveres - ligesom vores muskler gør, når de udvider sig og trækker sig sammen. "Mange mennesker sagde, at vi aldrig ville få den mængde af sammentrækning, vi havde håbet på, Barnes huskede, "men det fungerede faktisk bedre, end vi nogensinde havde forestillet os."

I "Reversibel hydrogel-fotomønster:Rumlig og tidsmæssig kontrol over gelens mekaniske egenskaber ved hjælp af fotoredox-katalyse af synligt lys, " offentliggjort den 17. juni i tidsskriftet ACS anvendte materialer og grænseflader , Barnes' laboratorium præsenterede en ny form for responsiv polymer, der bygger på succesen med den tidligere undersøgelse. Teamets nye arbejde fokuserede på at udvikle bløde, biokompatible materialer, der kan tåle store belastninger - materialer, der senere kan være særligt velegnede til medicinske formål som proteser eller transplanterbare organer.

Faheem Amir, hovedforfatter på papiret og en postdoc-forsker i Barnes' laboratorium, siger, at denne type undersøgelser adresserer et nuværende hul i teknologi. "Celler i levende systemer står over for et 3D-miljø, alligevel er de fleste af de undersøgelser, der udføres på celler, udført på 2-D materialer, " forklarede han. Hydrogeler, der er stærke, dog blød og elastisk, kan give en måde for forskere som Amir at bringe celler ind i et 3-D-system og se, hvordan cellerne opfører sig under forskellige forhold.

Holdet redesignede kemien bag deres polymers reaktioner for at skabe nye hydrogeler ved hjælp af en biokompatibel polymer. Grundmaterialet, bruges i øjeblikket i kontaktlinser, giver mulighed for større elasticitet og kan til gengæld bedre understøtte 3-D cellenetværk.

Siden deres første succes, holdet har arbejdet på at forbedre reaktionshastigheden og dens aktiveringsmetode. Tidligere hydrogeler krævede nedsænkning i en kemisk reducerende opløsning, men holdets nye materiale reagerer på synligt lys ved at inkludere en fotokatalysator i hydrogel-netværket. Dette varme område af kemi er kendt som fotoredox-katalyse, og det har dramatisk udvidet anvendeligheden af ​​Barnes labs hydrogeler.

"Vi bruger fotokatalysatoren til at absorbere lys og overføre en elektron til vores polymer, som aktiverer materialet. Så snart vi slukker lyset, og materialet udsættes for ilt i den omgivende luft, det vender processen om, Barnes forklarede. "Det er lidt ligesom en svamp. Når vi skubber alt vandet ud, den er mindre, men når du så taber det tilbage i vandet, det vil svulme op igen. Det er den samme slags proces som i naturlig, mekaniske systemer, som muskler."

Når holdet vidste, at processen ville fungere ved hjælp af synligt lys, de ønskede at forfine deres påføring ved at lyse lys på og kun aktivere meget præcise steder i gelen, ikke det hele. Det er fokus for denne undersøgelse:Kan den nye hydrogel ikke kun aktiveres, som den gjorde i tidligere iterationer, men også gøre det præcist?

Amir rapporterede succes på flere områder. "Processen resulterede i betydelige stigninger i det bløde materiales stivhed, trækstyrke, og procentvis forlængelse før brud, som alt sammen let kunne vendes via oxidation og hævelse i vand, " sagde han. Hydrogelerne tillod også præcis rumlig opløsning og kontrol over, hvor aktiveringerne fandt sted, hvilket holdet illustrerede ved at fotomønstre et amerikansk flagdesign.

Nu hvor forskere i Barnes' laboratorium har rumlig kontrol over aktiveringen af ​​hydrogelen, de kan henvende sig til at optimere det til biomedicinske applikationer i samarbejde med Washington University School of Medicine (WUSM). "Vi ved nok om den grundlæggende struktur af organer til, at vi i princippet burde være i stand til at 3-D-printe dem, men vi mangler materialerne, " sagde Barnes.

Forskere i Barnes' laboratorium vil næste gang fokusere på at vise, at deres hydrogeler er holdbare nok til at understøtte applikationer med celler suspenderet i en 3-D matrix. At være i stand til at aktivere specifikke områder i tre dimensioner er et vigtigt skridt mod succesfuld vækst af væv i en 3-D cellekultur. Yderligere forbedringer af materialet vil omfatte aktivering af det med andre bølgelængder af lys, såsom infrarød, hvilket ville tillade ikke-invasiv aktivering gennem humant væv. Det ultimative mål ville være at skabe en injicerbar, 3-D-printbar brugerdefineret hydrogel - en personlig "bio-blæk" bygget af en patients eget væv - som selektivt kan aktiveres gennem huden, bare ved at skinne lys på den. Dette ville give mulighed for højt specialiserede applikationer i kroppen.

"Bevæger sig fremad, vi har udviklet et samarbejde med Dr. Moe Mahjoub fra WUSM, hvor vi studerer virkningerne af fotoinduceret aktivering på cellulær adfærd, " sagde Amir. Samarbejdspartnerne håber, at deres aktiverede hydrogeler vil være i stand til at efterligne menneskeligt væv, skabe en generel platform til brug i utallige applikationer. Alsidigheden af ​​holdets nøgleteknologi, deres polymeriserbare tværbinder, understøtter dette mål:Forskere kan kombinere deres tværbinder med enhver monomer for at skabe brugerdefinerede polymerer med omhyggeligt afstemte funktioner og mekaniske egenskaber.

"Vi tog denne idé, som ingen troede ville virke til det punkt, hvor vi faktisk viser biomedicinsk relevans med disse materialer. Dette skubber langt ud over grundlæggende kemi, og endda ud over WashU, at bygge samarbejder rundt om i landet og endda i verden, " sagde Barnes. Denne forskning blev præsenteret på mødet i American Chemical Society (ACS) i april sidste år. Se hele præsentationen af ​​Barnes, "Muskellignende materiale udvider sig og trækker sig sammen som reaktion på lys, " fra ACS Orlando 2019.